一、原理

熱式流量儀表用得最多有兩類，即1）利用流動流體傳遞熱量改變測量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計（thenmaI prohIe fIowmeter）曾稱量熱式TMF;2)利用熱消散（冷卻）效應(yīng)的金氏定律（King’s Iaw）TMF。又由于結(jié)構(gòu)上檢測元件伸入測量管內(nèi)，也稱浸入型（immersion type ）或侵入型（intrusion type）。有些在使用時從管外插入工藝管內(nèi)的儀表稱作插入式（insertion type）。

二、優(yōu)點

熱分布式TMF可測量低流速（氣體0.02~2m/s）微小流量；插入式TMF可測量低~中偏高流速(氣體2~60m/s)，插入式TMF更適合于大管徑。

TMF無活動部件，無分流管的熱分布式儀表無阻流件，壓力損失很小；帶分流管的熱分布式儀表和浸入性儀表，雖在測量管道中置有阻流件，但壓力損失也不大。

TMF使用性能相對可靠。與推導(dǎo)式質(zhì)量流量儀表相比，不需溫度傳感器，壓力傳感器和計算單元等，僅有流量傳感器，組成簡單，出現(xiàn)故障概率小。

熱分布式儀表用于H2 、N2 、O2、CO 、NO等接近理想氣體的雙原子氣體，不用這些氣體專門標定，直接就用空氣標定的儀表，實驗證明差別僅2%左右；用于Ar、He等單原子氣體則乘系數(shù)1.4即可；用于其他氣體可用比熱容換算，但偏差可能稍大些。

氣體的比熱容會隨著壓力溫度而變，但在所使用的溫度壓力附近不大的變化可視為常數(shù)。

三、缺 點

熱式氣體質(zhì)量流量計響應(yīng)慢。

被測量氣體組分變化較大的場所，因cp值和熱導(dǎo)率變化，測量值會有較大變化而產(chǎn)生誤差。

對小流量而言，儀表會給被測氣體帶來相當熱量。

對于熱分布式TMF，被測氣體若在管壁沉積垢層影響測量值，必須定期清洗；對細管型儀表更有易堵塞的缺點，一般情況下不能使用。

對脈動流在使用上將受到限制。

液體用TMF對于粘性液體在使用上亦受到限制。

四、 選用考慮要點

4.1、應(yīng)用概況

TMF目前絕大部分用于測量氣體，只有少量用于測量微小液體流量。

熱分布式儀表使用口徑和流量均較小，較多應(yīng)用于半導(dǎo)工業(yè)外延擴散、石油化工微型反應(yīng)裝置、鍍膜工藝、光導(dǎo)纖維制造、熱處理淬火爐等各種場所的氫、氧、氨、燃氣等氣體流量控制，以及固體致冷中固體氬蒸發(fā)等累積量和閥門制造中泄漏量的測量等。在氣體色譜儀和氣體分析儀等分析儀器上，用于監(jiān)控取樣氣體量。分流型熱分布式儀表應(yīng)用于30~50mm以上管徑時，通常在主流管道上裝孔板等節(jié)流裝置或均速管，分流部分氣體到流量傳感器進行測量。

冷卻效應(yīng)的插入式TMF國外近10年在環(huán)境保護和流程工業(yè)中應(yīng)用發(fā)展迅速，例如；水泥工業(yè)豎式磨粉機排放熱氣流量控制，煤粉燃燒過程粉/氣配比控制，污水處理發(fā)生的氣體流量測量，燃料電池工廠各種氣體流量測量等等。大管道還有徑向分段排列多組檢測元件組成的插入檢測桿，應(yīng)用于鍋爐進風(fēng)量控制以及煙囪煙道排氣監(jiān)測SO2和NOX排放總量。

液體微小流量TMF應(yīng)用于化學(xué)、石油化工、食品等流程工業(yè)實驗性裝置，如液化氣流量測量，注入過程中控制流量；高壓泵流量控制的反饋量；藥液配比系統(tǒng)定流量配比控制；直接液化氣液態(tài)計量后氣化，供給工業(yè)流程或商業(yè)銷售。還有在色譜分析等儀器上用作定量液取樣控制以及用于動物實驗麻醉液流量測量。還未見到液體微小流量TMF國內(nèi)定型產(chǎn)品。

4.2   流體種類和物性

TMF只能用于測量清潔單相流體------氣體或液體，用氣體的型號不能用于液體，反之亦然。對于熱分布式氣體還必須是干燥氣體，不能含有濕氣。流體可能產(chǎn)生的沉積、結(jié)垢以及凝結(jié)物均將影響儀表性能。對于熱分布式TMF制造廠還應(yīng)給出接受的不清潔程度，例如大部分給出允許微粒粒度，用戶可按此決定在儀表前裝過濾器。浸入式TMF對清潔度要求低些，則可用于測量煙道氣，但必須裝有閥等插入機構(gòu)，能在不停流條件下去取出檢測頭。

（1）流體的比熱容和熱導(dǎo)率

從式1和式2可知，TMF工作時流體的比熱容和熱導(dǎo)率保持恒定才能測量準確。被測介質(zhì)工況溫度、壓力變化范圍不大，僅在工作點附近波動，比熱容變化不大，可視作常數(shù)。若工作點壓力溫度遠離校準時壓力溫度，則必須在該工作點壓力溫度下調(diào)整。表2列出幾種氣體在不同壓力溫度下的定壓比熱容，可看到其變化程度。

表2 幾種氣體定壓比熱容    cal/(g•K)

注：1cal/ (g•k)=4186.8J/ (kg•K)

（2）流量值的換算

熱分布式TMF制造廠通常用空氣或氮氣在略高于常壓的室溫工況條件下標定（校準）。如實際使用工況有異或不用于同一氣體，均可通過各自條件下比熱容或換算系數(shù)換算。

1）同一氣體不同工況的流量換算 從表2的數(shù)值可以看出空氣、氬氣、一氧化碳、氮氣、氧氣壓力在1MPa以下、溫度在400K以下變化，定壓比熱容變化僅在1%~2%之間，大部分使用場所可不作換算；壓力溫度變換較大時也可利用式6計算，因為同一氣體兩種工況條件下定壓比熱容的比值與摩爾定壓比熱容的比值是相等的。

2）不同氣體間流量換算  有些制造廠的使用說明書給出以空氣為基數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)F，可按式6換算；也可直接以標定（校準）氣體和實際使用氣體的摩爾定壓比熱按式6換算，但因有熱導(dǎo)率等其他因素，換算后精度要降低些。表3給出若干氣體按摩爾定壓比熱容直接計算和若干制造廠提供的兩種轉(zhuǎn)換系數(shù)數(shù)據(jù)，其中Freon12兩者差別較大。

表3  幾種氣體的轉(zhuǎn)換系數(shù)

各廠提供的轉(zhuǎn)換系數(shù)單雙原子氣體差別較小，僅百分之幾；烴類氣體則差別較大，達20% ~30%。

浸入式TMF由于式（3）和式（4）中各系數(shù)由各個檢測元件幾何形狀和所測氣體而定，所以目前通常只能在實際使用條件下個別校準。

3）混合氣體的換算的轉(zhuǎn)換系數(shù)  混合氣體的換算亦按式6進行，惟其轉(zhuǎn)換系數(shù)Fmix按式7合成

（3）流體中含有異相和低沸點液體

氣體用儀表，熱分布式必須是清潔氣體，不能有固相，浸入式則可允有微粒，但均不得含有水氣。測量液體時如混入氣泡會產(chǎn)生測量誤差。

由于大部分TMF要帶給流體一定熱量，流體溫度會升高，如所測液體是低沸點液體，應(yīng)考慮液體汽化氣化問題，必要時選用致冷元件的TMF。

4.3 儀表性能考慮

（1）流量范圍、流速和范圍度

TMF的流量應(yīng)以單位時間流過的質(zhì)量來表示，但測量氣體時習(xí)慣上亦常以計算到標準狀態(tài)下單位時間流過的體積表示。流速亦以標準狀態(tài)下單位時間流過距離的長度表示。與其他流量計相比，TMF適用于低流速范圍，特別是小口徑熱分布式；帶測量短管浸入檢測桿式可選上限（滿度）流速范圍較寬，上限范圍度（最大上限流量/最小上限流量）在10~ 30和60~80 之間。

插入式TMF的上限流速選擇范圍較寬，可在0.5~100m/s,但較多用于3~60m/s之間，視儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計而異。插入式TMF 適用于低流速煙道氣測量。

液體用TMF的上限流量很小，國外現(xiàn)有產(chǎn)品上限流量范圍在10~102g/min數(shù)量級之間；流量范圍在10:1~50:1之間。

（2）精確度和重復(fù)性

TMF 具有中等測量精確度。熱分布式的基本誤差通常在±（2~2.5）%FS之間。國外設(shè)計優(yōu)良的產(chǎn)品則有較高精確度，基本誤差為±1%FS，重復(fù)性則在0.2%~0.5%FS之間。帶測量短管浸入式的基本誤差相仿，亦在±（2~2.5）%之間，設(shè)計優(yōu)良的產(chǎn)品可達±2%R。插入式除儀表本身基本誤差外，還應(yīng)加上流速分布系數(shù)變化影響等，單點測量影響較大，多點或多檢測桿則影響較小，合計約在±（2.5~5）%FS之間。

插入式儀表檢測的點數(shù)視流通面積和流動狀況而定，制造廠在正常流速分布流動狀況下，推薦檢測點數(shù)為：；圓管直徑在200mm以下為單位單點，200~300mm為雙點，350~700mm為3~4點，750~1200為5點，1250mm以上為6點。矩形管面積0.05m2以下為單點，0.1~0.2m2為2~4點，0.2~2.5mm2為4~12點，2.5m2以上為12~20為點。

（3）響應(yīng)性

在流量儀表中TMF的響應(yīng)時間是比較長的，時間常數(shù)一般為2~5s，響應(yīng)較快者為0.5s，有些型號長達數(shù)秒、十幾秒甚至幾十秒者。若應(yīng)用于控制系統(tǒng)不能選用響應(yīng)時間長的儀表。

（4）流體溫度，環(huán)境溫度和溫度影響量

流體使用溫度一般為0~500℃，范圍較寬者為─10~1200℃，應(yīng)用于窯爐或煙道的高溫高粉塵型則可高達5500℃。加熱熱源溫度高于氣體數(shù)十度（K）。

測量氣體時流體溫度變化，不像體積流量儀表那樣氣體體積變化改變所測（體積）流量，并不影響質(zhì)量流量，然而如前文所述若溫度變化過大，比熱容的變化會導(dǎo)致量程變化。這種影響因氣體種類而異，如空氣、氮氣、氧氣、氫氣等影響量不大；但有些氣體例如甲烷壓力在0.1MPa，溫度從300K升高到400K定壓比熱容要增加11.1%（見表2）此外還有零點偏移影響。

環(huán)境溫度適用范圍通常為(0~50)℃。較寬者為(─10~ +80)℃。環(huán)境溫度激烈變化將影響經(jīng)外殼散失的熱量，導(dǎo)致測量值的變化，包括零點偏移和量程變化。環(huán)境溫度影響量一般為±(0.5~1.5)%/10K，但也有一些制造廠聲稱無環(huán)境溫度影響。

（5）壓力損失

氣體用儀表壓力損失很小，滿量程流量時熱分布式壓力損失均在10kpa以下，其中帶層流分流部件（或無分流部件）的小管型，僅數(shù)十帕；浸入式亦僅數(shù)十帕。

五、安裝使用注意事項

5.1   安裝姿勢（方向）

1）熱分布式 大部分熱分布式TMF的流量傳感器可任何姿勢（水平、 垂直或傾斜）安裝，有些儀表只要安裝好后在工作條件壓力、溫度下作電氣零點調(diào)整。然而有些型號儀表對安裝姿勢具有敏感性，大部分制造廠會對此就安裝姿勢影響和安裝要求作出說明。為減少環(huán)境氣氛對流傳熱影響，只能水平安裝，水平度允差±20。應(yīng)用于高壓氣體時流量傳感器則寧可選擇水平安裝，因為這樣便于做到調(diào)零的零偏置。

2）浸入式 大部分浸入式TMF性能不受安裝姿勢影響。然而在低流速測量時因受管道內(nèi)氣體對流的熱流影響，使安裝姿勢顯得重要。因此在低和非常低流速流動時要獲得精確測量，必須遵循制造廠依據(jù)儀表設(shè)計結(jié)構(gòu)而定的安裝建議。

5.2   前置直管段

1）熱分布式 本類儀表對上下游配管布置不敏感，通常認為無上下游直管段長度要求。國際標草案ISO/DIS 11451認為流量測量不受旋轉(zhuǎn)流和流速場剖面畸變影響。然而BS 7405卻認為；①上下游直管段長度可小至2D；②在進口端置一金屬（或塑料）網(wǎng)，可有效地改善流速分布畸變，得到分布均勻的氣流；③要防止從小管徑突然擴大進入較大口徑儀表，要緩慢過渡。

2）浸入式 帶測量管的浸入式流量傳感器和插入式儀表需要一定長度前置直管段，ISO/DIS 14511對此未作具體規(guī)定，而按制造廠建議的值。BS 7405建議對于在管道中用插入熱絲流速計時，需要(8~10)D的上游直管段和(3~5)D的下游直管段。表4列舉對帶測量管浸入式XTG-TMF所規(guī)定的上直管段長度；若在其進口端裝一塊或二快多孔板式流動調(diào)整器（整流器）后，則其長度可大為縮短。

表4 帶測量管浸入式上游直管段長度列表

只有一組溫度檢測點的插入式儀表與帶測量管浸入式儀表的上游直管段長度要求相近（只相差檢測桿到測量管進口端的距離）；多組檢測點的檢測桿或多根檢測桿的TMF,直管段長度可縮短很多，通常制造廠會提供建議。

2.3   儀表連接管道的振動

連接TMF的管道在常見實際范圍內(nèi)的振動不會產(chǎn)生振動干擾，在正常情況下不影響儀表的測量性能。惟插入式TMF的檢測桿必須牢固地固定于管道，并避免裝在有振動的場所。

2.4   脈動流的影響

TMF響應(yīng)時間長，不適應(yīng)脈動流流量測量。若作測脈動流測量，應(yīng)了解TMF的響應(yīng)性，以保證能跟隨的上脈動的速度變化。脈動引起的測量誤差通常使儀表輸出偏高，其程度取決于脈動幅值和頻率。